全氫罩式退火爐加熱控制系統應用及優化

魏俊 董加旺 張迎昕

（昆鋼板帶廠四輥冷軋車間）

全氫罩式退火爐加熱控制系統應用及優化

魏俊 董加旺 張迎昕

（昆鋼板帶廠四輥冷軋車間）

全氫罩式退火爐在冷軋生產中有較廣泛的應用，而加熱溫度控制是關鍵技術之一。本文根據全氫罩式退火爐的工藝特征，對加熱控制系統深入研究，結合現場實際，提出優化方案并實施改進，從而達到優良的溫度控制方法，提高工作效率。

罩式退火爐；溫度控制；PID增量式控制；PID串級調節溫度控制

前言

冷軋帶鋼退火的目的是為了消除軋制過程產生的加工硬化，重塑機械性能。退火過程中，溫度的控制直接關系到產品質量。昆鋼板帶廠冷軋全氫罩式退火爐的工藝技術與全套設備均由奧地利ENBER公司引進。隨著新產品的開發及用戶對產品質量要求的不斷提高，原加熱控制系統已不滿足需求。通過對退火的工藝流程進行分析研究，結合現場實際。應用PID串級調節改進溫度控制的重要環節，能夠達到加熱罩溫度控制的工藝要求，還可以節約大量的能源，達到節能增效的目的。

1 全氫罩式退火爐的主要組成和工藝過程

一座罩式爐主體設備包括：爐臺、閥站、內罩、加熱罩、冷卻罩、終冷風機等，公輔設施設備主要有液壓站、氣體調壓站、真空站等。罩式爐退火過程主要是根據不同鋼卷規格和特性，按照工藝要求采用相應的退火工藝曲線進行退火。

退火就是將帶鋼加熱到一定溫度保溫后再緩慢冷卻的工藝操作。帶鋼垛放在放料平臺上，用內罩罩住，通過強對流風機使罩內氣體快速循環，以保持爐內溫度的均勻性。在這里，有兩個不同的溫度區域：內罩以內的空間溫度稱為內罩溫度T1，內罩以外、加熱罩以內的空間溫度簡稱為加熱罩溫度T2。兩者分別用兩支熱電偶進行檢測，加熱罩溫度與內罩溫度之間的差值記為△T。在實際生產過程中，內罩溫度T1才是需要控制的目標溫度。而一般的溫度控制方法是將加熱罩溫度T2作為控制信號，內罩溫度T1作為顯示和記錄信號，所以是一種間接的溫度控制方法。在操作過程中，必須根據工藝要求的退火溫度預估給定值，調節設定比較麻煩。內罩溫度須加熱保溫在650℃以上，則T2的給定溫度為（650+△T）℃，△T為預估值，一般為50～100℃左右，如圖1所示。

圖1 退火爐加熱罩結構圖

2 單回路PID增量式調節法方法及生產過程中存在的問題

單回路的PID增量式調節控制方法：如圖2所示，直接把PID運算輸出分別送到定時器作為給定值，由定時器控制執行器的開關時間來調節煤氣和空氣閥門的開度，實現溫度控制。

此控制方式在實際生產過程中暴露出以下問題：①在煤氣壓力、熱值變化明顯時該系統不能根據壓力波動及時調節系統，溫度變化不能有效控制。②煤氣不能夠充分燃燒導致大量聚集，打火就會出現爆鳴，對安全造成極大危險。③無法點火等原因使加熱升溫時限延長，能源介質消耗增大，不利于節能。

圖2 PID增量式控制系統

3 優化方案

鑒于退火爐的加熱罩溫度T2是靠煤氣和空氣流量實現的，選用PID串級調節方式對溫度和煤空流量進行兩級自動控制優化方案。引入加熱罩熱電偶溫度T2反饋信號和煤氣、空氣流量變送器信號（4～20mA）到模擬量輸入模塊，經過PLC的PID運算，模擬量輸出模塊輸出4～20mA的控制信號控制煤氣和空氣閥門的開度，以達到更好的溫度控制效果。

系統中溫度調節回路為主回路；流量調節為副回路。PID串級控制系統框圖如圖3所示。

圖3 PID串級控制系統

退火溫度控制系統中，采集煤氣和空氣流量變送器反饋信號進行另一級PID運算，輸出調節參數來輔助主參數，即煤氣和空氣流量為副參數。主調節器依照主參數與給定值的偏差進行調節動作，其輸出作為副調節器的給定值。流量調節給定值由溫度調節器輸出信號給定，也可以隨流量變送器送來的流量信號變化，對偏差值進行調節。

在PID串級調節系統中，調節的是爐溫和煤氣、助燃空氣流量。在穩定狀態下，爐內溫度維持在給定值不變，煤氣和空氣閥門處于一定開度。當煤氣壓力波動時，開始階段首先影響煤氣流量，而爐內溫度暫時不變，故主調節器不動作，輸出信號不變，副調節器的給定值不變，但由于流量變送器送來的流量信號發生變化，于是副調節器按偏差值進行調節，逐漸向原設定值接近。同時流量的變化逐漸影響爐溫，從而使主調節器投入工作。主調節器輸出變化使副調節器的給定值變化，副調節器按煤氣流量信號與變化給定值之差進行調節，直到爐溫重新穩定在正常給定值之內。當其它原因使爐溫降低，主調節器按照偏差進行調節，主調節器輸出信號增加，副調節器根據這一變化的給定值而動作，發出相應的調節信號增大煤氣、空氣閥的開度，增加流量，使爐溫升高，重新穩定在正常給定值之內。反之，原理相同。所以，閥門的開度位置與被調參數之間有著一一對應關系。

用一個公式來表示調節器特性：

式中：Y-調節器的輸出；e（t）-調節器的輸入，為偏差值；Kp-比例系數。

由算式看出：調節器的輸出和輸入是同步的，只要偏差e（t）一出現，就能產生比例調節作用，具有調節及時的特點。

3.1 熱電偶優化

加熱罩熱電偶采用雙線熱電偶，作為溫度控制和監測元件，其信號通過加裝的溫度變送器反饋輸出信號4～20mA引入串級調節系統中，經線性化后與設定值比較，通過PLC把壓差送到溫度調節器，溫度調節器的輸出作為煤氣和空氣回路的設定，從而實現主回路的溫度控制。

3.2 燃燒控制系統的點火裝置及火焰探測系統優化

每組燒嘴都配有一個點火燒嘴和UV火焰探測器。當點火完全成功并且主煤氣閥已打開時，燒嘴控制才可以操作。如點火時，通過每組火焰探測器監測燒嘴點火情況和故障情況，如燒嘴有故障情況，及時關閉相應煤氣和空氣閥。燃燒期間，若煤氣和空氣壓力、流量降低過多的情況下，壓力開關動作顯示壓力低，立即停止燒嘴的操作，關閉相應煤氣和空氣閥。一個燒嘴有故障，只有故障燒嘴自動停止工作，其他燒嘴繼續操作。

4 研究及優化成果

通過優化后的加熱控制系統，解決了以下幾個問題：

（1）系統工作頻率提高，加速升溫過程，大大縮短加熱所需的工作周期；

（2）解決了由于煤氣壓力波動所引起的溫度波動問題；

（3）保證了最佳的煤空比例，溫度得到精確控制；

（4）降低了能源介質的消耗，使生產成本大大降低。

現在還形成一套完整的周期維護模式，定期對燒嘴、電極、燒嘴鏡片進行清理檢查。燒嘴控制板、UV檢測儀進行調整，保證控制板接收的信號穩定等內容。使系統更為安全、穩定，提高了設備工作效率；降低操作人員的工作強度；節約了設備成本；為今后對進口設備研究、維護、改造提供了依據和實例。

5 結束語

現代工業的發展使得用戶對鋼板的質量提出越來越苛刻的要求，退火控制技術已經成為標志現代化板帶冷軋的技術裝備和自動化水平的代表性技術。掌握該技術具有增強退火對溫度的調控能力，使退火工藝趨于合理、保證退火過程順行、提高板材質量和生產率、實現能源介質低消耗等效果。

[1]ENBER用戶手冊.

[2]楊獻勇，主編.熱工過程自動控制[M].清華大學出版社，2000.

[3]李紅梅.全氫罩式退火爐的退火過程自動控制系統[J].冶金自動化，2003.

TG155

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2015-12-22